전압,전류,저항에서 전위에 대한 이해

Question

늦은 나이에 전기쪽으로 진로를 틀어서

두번째 도전을 하려고하는데 기초부터 의문점이 많습니다.

질문하기에 앞서 이해 부탁드립니다

1.전위는 전기장에 있는 전자의 위치의 에너지로 알고 있습니다.

그럼 이 전위라는게 단순히 전자들이 많이있는곳 적은곳으로 전위가 달라지는 개념인가요?

그래서 전자가 더 적은 쪽과 많은 쪽을 비교했을때

더 적은쪽은 상대적으로 양성자 성질을 띄고 , 많은 쪽은 음성자 성질을 띠니 그걸 전기적

위치에너지 차이라고 부르고 , 전자가 수평을 맞추려고 이동하는것이고.. 맞을까요?

2.전압은 전위의 차이로 발생한다고 알고있습니다.

물의 압력같이 입자가 밀어내는게 아니라

전기장속 전자가 적은 쪽으로 전자가 이동하려는

전기적 에너지의 위치 차이로 알고있는데요(아니라면 같이 짚어주시면 감사하겠습니다)

여기서 드는 의문은 저항은 전압강하로 전기적 위치에너지를 소비한다고 알고있습니다.

예로 폐회로에 저항이 5옴이면 5V의 전기적 위치에너지의 차이로 인한 에너지를 전부 소모해서

2번지점은 0v가 되고요.

이해가 안되는 것은,

그렇다면 2번 지점부터 배터리에 다시 들어가는 회로까지는

같은 0v인데 왜 전류가 흐를까요?

왜 에너지를 소비한 부하에만 부분적으로 안 흐를까요?

이를 법칙으로해서 들어오는건 나가는것과 같다고만

배웠는데 깊게 따지려고보니 혼동이 오네요.

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Answer 1

안녕하세요. 이승호 전문가입니다.

늦은 나이에 새로운 도전을 시작하시는 모습이 정말 멋지십니다. 전기는 눈에 보이지 않기 때문에 처음 기초를 잡을 때 개념적인 혼란이 오는 것이 당연합니다. 질문하신 내용들을 바탕으로 원리를 차근차근 설명해 드리겠습니다.

첫 번째 질문하신 전위의 개념은 아주 정확하게 파악하고 계십니다. 전위는 말씀하신 대로 전하가 가진 위치 에너지입니다. 전지 내부의 화학 반응을 통해 한쪽에는 전자가 아주 많고 다른 한쪽에는 전자가 매우 부족한 상태가 만들어지는데 이때 전자가 많은 쪽은 마이너스 전위를 전자가 부족한 쪽은 플러스 전위를 띄게 됩니다. 이 불균형을 해소하기 위해 전자가 이동하려는 힘이 생기는데 이것을 전기적 위치 에너지 차이라고 부르는 것입니다.

두 번째 질문하신 부분에서 많은 분이 혼동을 겪습니다. 저항을 지나면 전압이 떨어지는데 왜 남은 구간에서도 전류가 흐르는지에 대한 의문입니다. 이를 이해하기 위해서는 전위차와 도선의 특성을 함께 보셔야 합니다.

이론적인 회로도에서 저항이 없는 전선 부분은 저항값이 0이라고 가정합니다. 옴의 법칙인 V = I*R을 적용해 보면 저항 R이 0인 구간에서는 전압 강하 V도 발생하지 않습니다. 즉 저항을 지나 전위가 0이 된 지점부터 전지의 마이너스 단자까지는 모든 지점의 전위가 똑같이 0인 상태입니다. 전위가 같다는 것은 그 구간 안에서는 전자를 밀어내는 추가적인 힘이 필요 없다는 뜻이기도 합니다.

하지만 이미 저항 이전 구간에서 가해진 압력에 의해 전자들이 일정한 방향성을 가지고 움직이고 있는 흐름 자체가 전류입니다. 비유를 하자면 높은 곳에서 떨어진 물이 평지에 도달했을 때 평지 구간은 높이 차이가 없어서 위치 에너지는 0이지만 이미 떨어지던 관성과 뒤에서 밀어주는 물의 흐름 때문에 앞으로 계속 나아가는 것과 비슷합니다.

회로는 하나의 끊기지 않는 고리입니다. 전지 내부에서 전자를 계속 퍼 올리고 있기 때문에 회로 전체에 걸쳐 전자들이 마치 기차 칸처럼 서로 연결되어 밀고 당겨지는 구조입니다. 저항이라는 좁은 길을 통과하며 에너지를 다 썼더라도 뒤에서 오는 전자들이 계속 밀어내고 전지 입구에서 전자를 끌어당기고 있기 때문에 0볼트 구간에서도 전류는 멈추지 않고 전지로 되돌아갈 수 있습니다.

요약하자면 에너지는 저항에서 일을 하느라 소모되는 것이지만 전자의 흐름인 전류는 회로가 연결되어 있는 한 어디서나 동일하게 유지됩니다. 공부하시다가 또 막히는 부분이 생기면 언제든 물어봐 주시기 바랍니다. 도전을 응원합니다.

Answer 2

안녕하세요. 박재화 전문가입니다.

전위는 전자 개수 보다 전기장 속에서 단위전하가 가지는 위치에너지를 의미합니다. 그래서 전자가 많고 적음도 영향은 있겠지만, 전기장이 만들어낸 에너지의 상태 차이라 볼 수 있습니다.

말씀하신 전압은 맞게 이해하신 것 같습니다. 물의 압력보다는 에너지의 경사 즉, 높낮이 차에 가깝다고 볼 수 있습니다. 전자는 이 전기장 때문에 낮은 전위 방향으로 이동하려는 경향을 가지게 되는 것이고요.

저항에서 전압 강하는 전기 에너지가 열로 바뀌면서 줄어든다는 의미로 해석할 수 있습니다. 에너지는 소모되지만, 전하 자체는 계속적으로 이동하는 것입니다.

0V에서 왜 흐르냐는 질문은 이것은 기준이기 때문입니다. 0V 라는 것이 절대 값이 아닌 기준점인 것이고, 회로 전체에는 여전히 배터리가 만든 전기장이 걸려 있어서 전류가 계속적으로 흐르게 됩니다.

전류는 전위값이 아닌 전위차와 전기장에 의해 유지된다고 볼 수 있고, 저항은 전하가 아닌 전압을 소모한다고 생각하시면 좋을 것 같습니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

전위는 단순히 전자의 많고 적음을 넘어 단위 전하가 가지는 전기적 위치에너지를 뜻하며 전자기 밀집된곳와 부족한 곳 사이에 형성된 에너지 경사면을 따라 전자가 수평을 맞추기 위해 이동하는 물리적 차이가 곧 전위차입니다 저항에서 전압 강하가 일어나는 이유는 전하가 통과하며 전기 에너지를 열 등으로 변환하기 때문인데 0V 지점에서도 전류가 흐르는 이유는 회로 전체에 형성된 전기장과 전위의 구배가 전자를 밀어애는 압력으로 작요하여 마치 수로의 물처럼 끊임없이 순환하게 만들기 때문입니다 에너지는 부하에서 소비되지만 전하량 자체는 보존되므로 전자는 에너지를 잃은 상태로도 전기적 평형을 찾기 위해 도선을 따라 배터리의 반대편 전극까지 이동하는 것입니다